Влияние свойств топлив на работу двигателей
§ 3. Влияние топлива на техническое состояние двигателей
Износ двигателя в значительной степени зависит от состава горючей смеси и от протекания процессов сгорания. При работе на низкосортном топливе износ двигателя возрастает в 1,5 — 2 раза. Это объясняется тем, что трудно испаряющиеся фракции поступают в цилиндры двигателя в жидком состоянии и смывают масляную пленку со стенок. При содержании в топливе смол и серы резко повышается нагарообразование и возрастает коррозия деталей двигателя. При недостатке воздуха (работа на переобогащенной смеси) излишнее топливо конденсируется в цилиндрах двигателя и смывает смазку. При избытке воздуха (работа на бедной смеси) излишний кислород воздуха окисляет смазку цилиндров. В результате работы двигателя на богатой и бедной смесях возникает перегрев двигателя, образуется нагар и возрастает износ двигателя.
При низком качестве топлива, раннем зажигании и обедненной горючей смеси, при перегреве двигателя и нагарообразовании возникает детонационное сгорание, которое начинается в несгоревших слоях смеси, волне горения при этом предшествует волна давления, процессы окисления интенсифицируются и происходит детонационный взрыв, который сопровождается мгновенным выделением большого количества энергии в малом объеме, что вызывает резкое местное повышение давления и возникновение детонационной упругой волны, распространяющейся со скоростью в 1500-2500 м/сек. Детонационная волна, воздействуя на стенки цилиндра и днище поршня, вызывает вибрацию деталей (детонационные стуки). Она смывает слой смазки на стенках цилиндра, вследствие чего увеличивается их износ, а возникающие при детонации активные продукты окисления резко повышают коррозию.
Работа двигателя с детонацией вызывает пригорание поршневых колец, прогар клапанов и разрушение днищ поршней, вкла-дышей коренных и шатунных подшипников коленчатого вала.
Основным топливом (для карбюраторных двигателей) являются автомобильные бензины. По ГОСТ 2084 — 67 предусмотрен выпуск автомобильных бензинов: А — 66, А — 72, А — 76, АИ — 93 и АИ — 98. Качество бензинов в основном определяется их октановым числом, фракционным составом, склонностью к образованию отложений и коррозионными свойствами.
Для повышения детонационной стойкости автомобильных топ-лив, обладающих низким октановым числом, к ним добавляются этиловые жидкости марок 1-ТС и Р-9. Основным компонентом этиловой жидкости является татраэтилсвинец (ТЭС), который в жидкостях соответственно составляет 58 и 54%.
В этиловых жидкостях имеются выносители, предназначенные для образования со свинцом летучих соединений, выходящих из двигателя вместе с отработавшими газами, что уменьшает свинцовые отложения в нагаре на стенках камер сгорания, клапанах и электродах свечей.
Тетраэтилсвинец чрезвычайно ядовит, поэтому этиловая жидкость добавляется в бензин только в заводских условиях и в небольших количествах.
Этилированные бензины нельзя применять для мытья рук и деталей, для заправки паяльных и осветительных ламп, в качестве растворителя для красок и как средство для чистки одежды. При длительном хранении этилированного бензина в осадках, отлагающихся в бензобаках, топливопроводах и приборах питания, содержится до 15% окислившегося тетраэтилсвинца, а при работе на этих бензинах тетраэтилсвинец попадает в нагар и масло. Поэтому при промывке систем питания автомобиля и смазки двигателя, а также при очистке нагара и замене двигателя необходимо соблюдать меры предосторожности.
С увеличением степени сжатия в двигателе необходимо повышать октановое число топлива.
Для нормальной работы новых двухрядных 8-ми цилиндровых двигателей типов ЗМЗ — 66 и ЗИЛ — 130 необходимо применять бензины с октановым числом (по моторному методу) не ниже 76.
Бензин АИ — 93 предназначен для двигателей со степенью сжатия 7,0 — 7,5, АИ — 98 со степенью сжатия 8,0 — 9,5.
По фракционному составу бензина можно определить его влияние на работу двигателя.
По температуре перегонки (испарения) 10% бензина можно определить «пусковые» его качества и склонность к образованию паровых пробок. Обычно для запуска двигателя при температуре воздуха минус 15 — 20° С необходимо применять бензины с температурой перегонки 10% — не более 75 — 79° С. В случае значительного понижения этой температуры возникают перебои в подаче топлива, и обедняется смесь из-за образования паровых пробок, при ее повышении затрудняется запуск двигателя и увеличивается пусковой износ.
Температура перегонки 50% бензина (испаряются рабочие фракции) характеризует его способность обеспечивать устойчивую работу на малых оборотах, быстрый прогрев и приемистость двигателя.
Температуры перегонки 90% бензина и конца его разгонки характеризуют наличие в нем тяжелых фракций и определяют влияние бензина на мощность, экономичность и износ двигателя. Зависимость износа двигателя от температуры конца перегонки бензина, характеризующей его фракционный состав, показана на рис. 3.
Одной из причин утяжеления фракционного состава является наличие в нем смолистых веществ.
Смолы, содержащиеся в топливе, отлагаются на стенках бензобаков, бензопроводов, в топливном фильтре, бензонасосе и карбюраторе в виде липкого осадка, нарушая подачу топлива. Попадая с топливом во впускной трубопровод и цилиндры, смолы оседают на горячих стенках трубопровода, стержнях, тарелках и седлах клапанов, в камере сгорания, на днище поршня, свечах и под действием высоких температур образуют нагар.
Отложения смол и нагара на стержнях и тарелках клапанов нарушают их посадку и вызывают зависание клапанов. Отложения смол в цилиндрах способствуют возникновению детонации и самовоспламенения смеси. Отложение смол во впускном трубопроводе затрудняет подачу горючей смеси.
Содержание фактических смол в топливе допускается в пределах 2 — 20 мг на 100 мл бензина. Склонность топлива к смолообразованию зависит от его химической стабильности. Чем больше индукционный период окисления, тем более стоек бензин и тем дольше он может храниться без смолообразования. Интенсивность смолоотложения в топливе увеличивается в процессе его хранения при повышенных температурах, в грязной, влажной, ржавой, полностью незаполненной и незакупоренной таре.
Рис. 3. Зависимость износа двигателя от фракционного состава бензина
Коррозионные свойства топлива определяются наличием в нем серы и сернистых соединений, кислот, щелочей и воды. С понижением теплового состояния двигателя, работа на сернистых бензинах сопровождается значительным износом. Наличие серы в топливе увеличивает нагарообразование и снижает антидетонационные качества топлива.
Для транспортных и быстроходных дизелей выпускается высококачественное топливо марок ДА, ДЗ и ДЛ (ГОСТ 4749 — 49) и марок А, 3 и Л (ГОСТ 305 — 62).
Качество дизельного топлива в основном определяется его цетановым числом, фракционным составом, вязкостью, температурой застывания, склонностью к нагарообразованию и коррозионностью.
Цетановое число характеризует самовоспламеняемость топлива. Время от начала подачи топлива в. цилиндр до момента воспламенения смеси называется периодом задержки воспламенения. Чем больше этот период, тем более жестко работает двигатель. С повышением цетанового числа уменьшается жесткость работы двигателя, в то же время увеличивается склонность топлива к застыванию. Поэтому у арктического (А) и зимнего (3) дизельных топлив цетановое число разно 40, а у летнего (Л) оно повышено до 45.
Фракционный состав топлива характеризует его общую испаряемость, а температура выкипания 50% — его пусковые качества. При чрезмерном облегчении фракционного состава ухудшается самовоспламеняемость топлива. При работе на топливе, имеющем тяжелый фракционный состав и содержащем смолы, увеличивается нагарообразование в двигателе.
Вязкость дизельного топлива характеризует его текучесть и смазывающие качества.
Коррозионные свойства дизельного топлива определяют по наличию в нем сернистых соединений, кислот и щелочей. В целях снижения коррозионного износа двигателей, работающих на сернистом топливе по ГОСТ 305 — 62, нужно применять специальные дизельные масла.
Влияние свойств бензина на характеристики работы ДВС
Групповой состав бензинов, реализуемых в настоящее время на топливном рынке России, весьма разнороден. Он определяется источником происхождения сырья, технологиями его переработки, а также способами получения заданных физико-химических показателей топлива.
По данным кафедры ДВС СПбГПУ, полученным в ходе периодических исследований уровня качества бензинов, содержание ароматических углеводородов в зависимости от марки топлива и его вида меняется в достаточно широких пределах – от 30 до 56 %, олифиновых углеводородов – от 2 до 18 %, оксигенатов – от 0 до 15 % (см. Приложения 2, 3).
Различие группового состава топлива оказывает существенное влияние на процессы смесеобразования и сгорания бензовоздушных смесей в
двигателе и тем самым определяет параметры мощности, топливной экономичности и токсичности отработавших газов.
Проведенные исследования показали, что для топлив с близкими значениями октановых чисел, определенными по моторному и исследовательскому методам, изменение группового состава топлив может дать весьма значительную разницу в выходных показателях бензинового ДВС. По мощности различие может составить до 2..3 % для карбюраторных ДВС и 4…6 % для впрысковых (рис. 24).
Различие в эффективном к.п.д. цикла, определяющем качество процессов сгорания и смесеобразования, еще более значительно – соответственно 4…7 % для карбюраторных и 5…9 % для впрысковых двигателей. Особенно велико различие в показателях токсичности. Так, по компонентам СН и NОx оно может составлять до 20…25 % для двигателей обоих типов (рис. 25).
Влияние химического состава топлива на параметры работы двигателя внутреннего сгорания проявляется через изменение следующих физико-химических показателей топлива.
Во-первых, с изменением состава топлива изменяется его теплотворная способность. В настоящее время этот параметр действующими ГОСТами не нормируется (кроме авиационных бензинов), однако он оказывает значительное влияние на работу двигателя в реальных условиях. Так, в товарных бензинах в зависимости от состава низшая теплотворная способность может изменяться в пределах от 41,0 до 44,0 МДж/кг (см. Приложения 1–3), т. е. изменяться от топлива к топливу более чем на 5 %. Особенно заметно понижение теплотворной способности топлив на бензинах с высоким содержанием кислородсодержащих высокооктановых компонентов, например МТБЭ. Изменение теплотворной способности наиболее значимо влияет на параметры мощности и топливной экономичности бензинового двигателя.
В-вторых, состав топлива существенно меняет скорость и полноту сгорания топлива, особенно в зоне обогащенных топливовоздушных смесей. Наименьшими скоростями сгорания обладают топлива с высоким содержанием полициклических ароматических углеводородов (ПАУ). Наличие в бензинах связанного кислорода повышает скорость и полноту сгорания. Эти параметры определяют изменение как экономических характеристик двигателя, так и содержания токсичных компонент, особенно остаточных углеводородов СН и оксидов азота NOx при использовании различных бензинов.
В-третьих, бензины различного группового состава могут существенно отличаться по плотности. Этот параметр ранее действующими ГОСТами нормировался и должен был находиться в диапазоне 720…775 кг/м 3 . Однако в новом Техническом регламенте (Приложение 4) эта норма отсутствует. А ведь плотность топлива для реального двигателя имеет принципиальное значение. Это объясняется тем, что все дозирующие
элементы системы топливоподачи настроены на объемные расходы
топлива, т. е. массовые цикловые подачи на одних и тех же режимах для разных бензинов будут отличаться в зависимости от плотности топлива. Это в свою очередь меняет состав топливовоздушной смеси, причем в
достаточно широком диапазоне, чтобы оказать существенное влияние на работу двигателя, особенно в зоне мощностного обогащения на высоких нагрузках.
В-четвертых, от химического состава топлива существенно зависит его фракционный состав, что в свою очередь влияет на его испаряемость, и следовательно, на карбюрационные свойства бензина.
В-пятых, групповой состав топлив оказывает значительное влияние на фактическую детонационную стойкость бензинов. Проведенные исследования показывают, что даже при весьма близких значениях ОЧИ и ОЧМ пределы детонации в реальных условиях сильно зависят от состава топлив, метода получения заданного октанового числа, наличия или отсутствия оксигенатов. Так, при испытаниях бензинов АИ-92 было отмечено различие в нагрузке на двигатель, при которой фиксировались детонационные стуки, на 12…17 % в зависимости от состава бензина и скоростного режима работы двигателя. Этот эффект особенно влияет на характеристики впрысковых ДВС, где фактор детонации является одним из сигналов для системы управления, которая меняет алгоритм работы системы зажигания.
Из основных параметров состава бензинов влияние на выходные показатели двигателя в большей степени оказывают содержание ароматических углеводородов и оксигенатов, а также наличие или отсутствие моющих присадок.
Влияние содержания ароматических углеводородов на параметры мощности и топливной экономичности имеет сложный характер с оптимумом, близким к величинам порядка 40 %, т. е. в зоне бензинов класса “Евро-3”. Минимум токсичности отработавших газов наблюдается при уменьшении содержания ароматики до уровня 30…32 %, т. е. в зоне бензинов класса “Евро-4”. Дальнейшее снижение содержания ароматических углеводородов не приводит к существенному улучшению экологических показателей двигателя, но значительно ухудшает мощностные. Отчасти это связано с тем, что чрезмерное уменьшение доли ароматики приводит к снижению фактической детонационной стойкости топлива и требует использования низкокалорийных высокооктановых кислородсодержащих компонент. А это, в свою очередь, приводит к снижению общей теплотворной способности топлива.
Кроме того, топлива с низким содержанием ароматических углеводородов (менее 30 %) и оксигенатов чаще всего характеризуются низкой плотностью, что существенно меняет состав топливовоздушной смеси, уводя его в зону неэффективных регулировок. Повышенные же концентрации ароматических углеводородов (более 45 %) существенно снижают скорость сгорания топлива, уменьшая термическую эффективность цикла, уменьшают полноту сгорания, что в значительной степени влияет на увеличение выхода остаточных углеводородов. С другой стороны, выход оксидов азота на таких видах топлив существенно уменьшается из-за снижения температур сгорания в цилиндрах двигателя. Такие топлива обладают повышенной плотностью (до 770 кг/м 3 ), что также меняет состав смеси в неблагоприятном для эффективного сгорания направлении. Особенно сильно влияет содержание ароматических углеводородов на параметры впрыскового двигателя, имеющего l-регулирование.
Важным фактором, определяющим качество реальной работы бензинов, является содержание в их составе оксигенатов. Наиболее используемая в настоящее время кислородсодержащая компонента – метилтретбутиловый эфир (МТБЭ). Действующими нормативами содержание МТБЭ в бензинах ограничено 15 об. %, что связано с существенным падением общей теплотворной способности топлива при увеличении содержания оксигената, а также с повышением коррозионной активности бензина.
Проведенное исследование влияния содержания МТБЭ на характеристики двигателя, в котором для бензинов с примерно равным содержанием ароматических углеводородов (33…36 %) содержание МТБЭ менялось от 0 до 11 %, показало, что оптимум с точки зрения минимального расхода топлива лежит в области 6…7 % содержания МТБЭ. Такая концентрация оксигената, обеспечивая минимум выхода остаточных углеводородов, дает максимум содержания оксидов азота. Это в очередной раз подтверждает сложный многопараметрический характер задачи оптимизации группового состава топлива.
Механизм влияния содержания МТБЭ на выходные параметры двигателя весьма сложен и неоднозначен. При его описании следует учитывать влияние содержания этого оксигената на детонационную стойкость топлива, на его плотность, на изменение реального состава смеси с учетом связанного кислорода, на скорость и полноту сгорания, а также на общую теплотворную способность бензина. Надо отметить, что указанные результаты получены для конкретных видов бензинов с примерно сходным составом по содержанию различных групп углеводородов. Возможно, что для других концентраций ароматических углеводородов оптимальное содержание МТБЭ будет иным. Для выяснения этого требуются дополнительные исследования.
Важным фактором влияния на выходные показатели бензинового (в первую очередь – впрыскового) двигателя является наличие в составе бензинов моющих присадок. Очевидно, что при тех минимальных процентах ввода моющей присадки в топливо, которая практикуется в современной технологии производства топлив, она не может оказать существенного мгновенного действия и изменить параметры двигателя. Эффект от применения моющих присадок проявляется после значительного времени ее присутствия в двигателе. В ходе проведения многочисленных исследований работы двигателей на топливах, содержащих моющие присадки, была отмечена общая закономерность временного изменения параметров топливной экономичности и токсичности отработавших газов. Так, на начальном этапе работы бензина с моющей присадкой наблюдается некоторое ухудшение выходных параметров двигателя по мощности и токсичности отработавших газов по компоненте СН. Это, очевидно, обусловлено увеличением количества механических примесей и прочих загрязнений, попадающих в топливо со стенок элементов системы питания двигателя. Причем этот эффект тем более выражен, чем выше начальная степень загрязненности двигателя и больше концентрация моющей присадки. По мере увеличения времени наработки двигателя на бензине с моющей присадкой происходит стабилизация параметров на уровне, в определенной степени превышающем начальный – как по мощности и топливной экономичности, так и по токсичности отработавших газов. Следует, однако, отметить не повышение этих параметров, а их восстановление до уровня, приближающегося к штатным параметрам ДВС.
